高中物理竞赛动量能量习题

高中物理竞赛——动量、能量习题一、动量定理还是动能定理？物理情形：太空飞船在宇宙飞行时，和其它天体的万有引力可以忽略，但是，飞船会定时遇到太空垃圾的碰撞而受到阻碍作用。

设单位体积的太空均匀分布垃圾n 颗，每颗的平均质量为m ，垃圾的运行速度可以忽略。

飞船维持恒定的速率v 飞行，垂直速度方向的横截面积为S ，与太空垃圾的碰撞后，将垃圾完全粘附住。

试求飞船引擎所应提供的平均推力F 。

模型分析：太空垃圾的分布并不是连续的，对飞船的撞击也不连续，如何正确选取研究对象，是本题的前提。

建议充分理解“平均”的含义，这样才能相对模糊地处理垃圾与飞船的作用过程、淡化“作用时间”和所考查的“物理过程时间”的差异。

物理过程需要人为截取，对象是太空垃圾。

先用动量定理推论解题。

取一段时间Δt ，在这段时间内，飞船要穿过体积ΔV = S ·v Δt 的空间，遭遇n ΔV 颗太空垃圾，使它们获得动量ΔP ，其动量变化率即是飞船应给予那部分垃圾的推力，也即飞船引擎的推力。

F = t P ∆∆ = t v M ∆⋅∆ = t v V n m ∆⋅∆⋅ = t v t nSv m ∆⋅∆⋅ = nmSv 2 如果用动能定理，能不能解题呢？同样针对上面的物理过程，由于飞船要前进x = v Δt 的位移，引擎推力F 须做功W = F x ，它对应飞船和被粘附的垃圾的动能增量，而飞船的ΔE k 为零，所以：W = 21ΔMv 2即：F v Δt = 21（n m S ·v Δt ）v 2 得到：F =21nmSv 2 两个结果不一致，不可能都是正确的。

分析动能定理的解题，我们不能发现，垃圾与飞船的碰撞是完全非弹性的，需要消耗大量的机械能，因此，认为“引擎做功就等于垃圾动能增加”的观点是错误的。

但在动量定理的解题中，由于I =F t ，由此推出的F = tP∆∆必然是飞船对垃圾的平均推力，再对飞船用平衡条件，F 的大小就是引擎推力大小了。

这个解没有毛病可挑，是正确的。

（学生活动）思考：如图1所示，全长L 、总质量为M 的柔软绳子，盘在一根光滑的直杆上，现用手握住绳子的一端，以恒定的水平速度v 将绳子拉直。

忽略地面阻力，试求手的拉力F 。

解：解题思路和上面完全相同。

答：LMv 2二、动量定理的分方向应用物理情形：三个质点A 、B 和C ，质量分别为m 1 、m 2和m 3 ，用拉直且不可伸长的绳子AB 和BC 相连，静止在水平面上，如图2所示，AB 和BC 之间的夹角为（π－α）。

现对质点C 施加以冲量I ，方向沿BC ，试求质点A 开始运动的速度。

模型分析：首先，注意“开始运动”的理解，它指绳子恰被拉直，有作用力和冲量产生，但是绳子的方位尚未发生变化。

其二，对三个质点均可用动量定理，但是，B 质点受冲量不在一条直线上，故最为复杂，可采用分方向的形式表达。

其三，由于两段绳子不可伸长，故三质点的瞬时速度可以寻求到两个约束关系。

下面具体看解题过程——绳拉直瞬间，AB 绳对A 、B 两质点的冲量大小相等（方向相反），设为I 1 ，BC 绳对B 、C 两质点的冲量大小相等（方向相反），设为I 2 ；设A 获得速度v 1（由于A 受合冲量只有I 1 ,方向沿AB ，故v 1的反向沿AB ），设B 获得速度v 2（由于B 受合冲量为1I ϖ+2I ϖ，矢量和既不沿AB ，也不沿BC 方向，可设v 2与AB 绳夹角为〈π－β〉，如图3所示），设C 获得速度v 3（合冲量I ϖ+2I ϖ沿BC 方向，故v 3沿BC 方向）。

对A 用动量定理，有：I 1 = m 1 v 1①B 的动量定理是一个矢量方程：1I ϖ+2I ϖ=m 22v ϖ，可化为两个分方向的标量式，即：I 2cos α－I 1 = m 2 v 2cos β②I 2sin α= m 2 v 2sin β ③ 质点C 的动量定理方程为：I － I 2 = m 3 v 3 ④ AB 绳不可伸长，必有v 1 = v 2cos β ⑤ BC 绳不可伸长，必有v 2cos(β－α) = v 3 ⑥六个方程解六个未知量（I 1 、I 2 、v 1 、v 2 、v 3 、β）是可能的，但繁复程度非同一般。

解方程要注意条理性，否则易造成混乱。

建议采取如下步骤——1、先用⑤⑥式消掉v 2 、v 3 ，使六个一级式变成四个二级式： I 1 = m 1 v 1 ⑴ I 2cos α－I 1 = m 2 v 1 ⑵I 2sin α= m 2 v 1 tg β ⑶ I － I 2 = m 3 v 1(cos α+ sin αtg β) ⑷ 2、解⑶⑷式消掉β，使四个二级式变成三个三级式：I 1 = m 1 v 1 ㈠ I 2cos α－I 1 = m 2 v 1 ㈡I = m 3 v 1 cos α+ I 22232m sin m m α+ ㈢3、最后对㈠㈡㈢式消I 1 、I 2 ，解v 1就方便多了。

结果为： v 1 =α+++α23132122sin m m )m m m (m cos Im（学生活动：训练解方程的条理和耐心）思考：v 2的方位角β等于多少？ 解：解“二级式”的⑴⑵⑶即可。

⑴代入⑵消I 1 ，得I 2的表达式，将I 2的表达式代入⑶就行了。

答：β= arc tg （α+tg m m m 221）。

三、动量守恒中的相对运动问题物理情形：在光滑的水平地面上，有一辆车，车内有一个人和N 个铅球，系统原来处于静止状态。

现车内的人以一定的水平速度将铅球一个一个地向车外抛出，车子和人将获得反冲速度。

第一过程，保持每次相对地面抛球速率均为v ，直到将球抛完；第二过程，保持每次相对车子抛球速率均为v ，直到将球抛完。

试问：哪一过程使车子获得的速度更大？模型分析：动量守恒定律必须选取研究对象之外的第三方（或第四、第五方）为参照物，这意味着，本问题不能选车子为参照。

一般选地面为参照系，这样对“第二过程”的铅球动量表达，就形成了难点，必须引进相对速度与绝对速度的关系。

至于“第一过程”，比较简单：N 次抛球和将N 个球一次性抛出是完全等效的。

设车和人的质量为M ，每个铅球的质量为m 。

由于矢量的方向落在一条直线上，可以假定一个正方向后，将矢量运算化为代数运算。

设车速方向为正，且第一过程获得的速度大小为V 1 第二过程获得的速度大小为V 2 。

第一过程，由于铅球每次的动量都相同，可将多次抛球看成一次抛出。

车子、人和N 个球动量守恒。

0 = Nm(-v) + MV 1得：V 1 = MNmv ①第二过程，必须逐次考查铅球与车子（人）的作用。

第一个球与（N –1）个球、人、车系统作用，完毕后，设“系统”速度为u 1 。

值得注意的是，根据运动合成法则地车车球地球→→→+=v v v ϖϖϖ，铅球对地的速度并不是（-v ），而是（-v + u 1）。

它们动量守恒方程为：0 = m(-v + u 1) +〔M +(N-1)m 〕u 1得：u 1 =v NmM m+第二个球与（N -2）个球、人、车系统作用，完毕后，设“系统”速度为u 2 。

它们动量守恒方程为：〔M+(N-1)m 〕u 1 = m(-v + u 2) +〔M+(N-2)m 〕u 2得：u 2 =v NmM m+ +v m )1N (M m -+ 第三个球与（N -2）个球、人、车系统作用，完毕后，设“系统”速度为u 3 。

铅球对地的速度是（-v + u 3）。

它们动量守恒方程为：〔M+(N-2)m 〕u 2 = m(-v + u 3) +〔M+(N-3)m 〕u 3得：u 3 =v NmM m+ +v m )1N (M m -+ + v m )2N (M m -+ 以此类推（过程注意：先找u N 和u N-1关系，再看u N 和v 的关系，不要急于化简通分）……，u N 的通式已经可以找出：V 2 = u N =v Nm M m + + v m )1N (M m -+ + v m )2N (M m -+ + … + v mM m+即：V 2 = ∑=+N1i v imM m②我们再将①式改写成： V 1 = ∑=N1i v Mm①′ 不难发现，①′式和②式都有N 项，每项的分子都相同，但①′式中每项的分母都比②式中的分母小，所以有：V 1 ＞ V 2 。

结论：第一过程使车子获得的速度较大。

（学生活动）思考：质量为M 的车上，有n 个质量均为m 的人，它们静止在光滑的水平地面上。

现在车上的人以相对车大小恒为v 、方向水平向后的初速往车下跳。

第一过程，N 个人同时跳下；第二过程，N 个人依次跳下。

试问：哪一次车子获得的速度较大？解：第二过程结论和上面的模型完全相同，第一过程结论为V 1 =∑=+n1i v nmM m。

答：第二过程获得速度大。

四、反冲运动中的一个重要定式物理情形：如图4所示，长度为L 、质量为M 的船停止在静水中（但未抛锚），船头上有一个质量为m 的人，也是静止的。

现在令人在船上开始向船尾走动，忽略水的阻力，试问：当人走到船尾时，船将会移动多远？（学生活动）思考：人可不可能匀速（或匀加速）走动？当人中途停下休息，船有速度吗？人的全程位移大小是L 吗？本系统选船为参照，动量守恒吗？模型分析：动量守恒展示了已知质量情况下的速度关系，要过渡到位移关系，需要引进运动学的相关规律。

根据实际情况（人必须停在船尾），人的运动不可能是匀速的，也不可能是匀加速的,运动学的规律应选择S = v t 。

为寻求时间t ，则要抓人和船的位移约束关系。

对人、船系统，针对“开始走动→中间任意时刻”过程，应用动量守恒（设末态人的速率为v ，船的速率为V ），令指向船头方向为正向，则矢量关系可以化为代数运算，有：0 = MV + m(-v) 即：mv = MV由于过程的末态是任意选取的，此式展示了人和船在任一时刻的瞬时速度大小关系。

而且不难推知，对中间的任一过程，两者的平均速度也有这种关系。

即：m v = M V①设全程的时间为t ，乘入①式两边，得：m v t = M V t设s 和S 分别为人和船的全程位移大小，根据平均速度公式，得：m s = M S ②受船长L的约束，s和S具有关系：s + S = L③解②、③可得：船的移动距离 S =mM m+L （应用动量守恒解题时，也可以全部都用矢量关系，但这时“位移关系”表达起来难度大一些——必须用到运动合成与分解的定式。

时间允许的话，可以做一个对比介绍。

）另解：质心运动定律人、船系统水平方向没有外力，故系统质心无加速度→系统质心无位移。

先求出初态系统质心（用它到船的质心的水平距离x 表达。

根据力矩平衡知识，得：x =)M m (2mL+），又根据，末态的质量分布与初态比较，相对整体质心是左右对称的。